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¿Qué es un CAD? Ejemplos de métodos CAD ¿Qué es un CDA? Ejemplos de métodos CDA

Integrantes: Jair González Rosas Jose Alfredo Leyva Chan Carlos Renan Mena Couoh Edgardo Novelo Varguez

¿Qué es un CAD?  La conversión analógica-digital es el proceso por el cual una magnitud analógica(nuestro entorno) se convierte a formato digital.  La conversión A/D es necesaria cuando se debe expresar en forma digital una serie de magnitudes medidas, para procesarlas en una computadora, presentarlas en un display o almacenarlas.  Su precio depende de la calidad de las prestaciones que se le pidan. Estas serán: la exactitud, que depende de los errores que se produzcan y de la resolución (número de bits), y la velocidad.

 A nivel de elemento de circuito, el CAD se caracteriza por una entrada analógica, una salida digital y varias señales de control y alimentación.  Las señales de control más importantes y características son: SC (Start Conversion) y EOC (End Of Conversion).  La primera es una entrada que requiere el circuito para que

comience la conversión que durará un tiempo que a veces es conocido de antemano y otras veces no.  La señal EOC es la que indica al circuito o microprocesador donde están entrando las señales digitales, cuándo ha terminado la conversión.

CAD tipo Flash (paralelo)  Se requieren 2n –1

comparadores para la conversión a un código binario de n bits. Desventajas:  Una de las desventajas del CAD flash es el gran número de comparadores necesarios para un número binario de tamaño razonable. Ventaja:  Su principal ventaja es que tiene un tiempo de conversión rápido. CAD flash de 3 bits

CAD por contador  Mientras que la tensión de referencia de salida es menor que la entrada analógica, la salida del comparador permanece a nivel

CAD por contador

Utiliza un contador ascendente/descendente y es más rápido que el método de rampa digital, porque el contador no se pone a cero después de cada muestreo, sino que sigue a la entrada analógica.

ALTO, poniendo el contador en modo ascendente (UP), lo que da lugar a una secuencia ascendente de cuenta binaria.  Esto hace que la tensión de salida en escalera del DAC se incremente hasta que la rampa alcance el valor de entrada.  Cuando la tensión de referencia es igual a la entrada analógica, la salida del comparador conmuta a nivel BAJO y pone el contador en modo descendente (DOWN), haciendo que la cuenta se decremente.

CAD por aproximaciones sucesivas  Proceso de conversión por

aproximaciones sucesivas

Quizás este es el método de conversión A/D más utilizado. Tiene un tiempo de conversión mucho menor que otros métodos, a excepción del método flash.

CAD por Escalera  En primer lugar es más rápido y además trabaja en niveles compatibles con TTL.  Su forma de trabajo es:  Si V+>V- sat. positiva y Vo=5V  Si V+ V- y el amplificador se satura positivamente por lo que la salida Vo=5V=EOC. En esta situación se habilita la puerta AND permitiendo el paso de un pulso de reloj que obliga al contador a contar. En su salida tendrá un LSB que saldrá en analógico a la salida del D/A.

Desventaja: El tiempo que tarda el circuito en hacer la conversión depende del valor de VIN ya que en cada caso habrá que recorrer todos los estados desde 0. Si VIN es alto, habrá que recorrer muchos estados. El tiempo máximo cuando el contador recorre todos los estados es: 1 𝑛 𝑡𝑐 𝑚𝑎𝑥 = 2 ( ) 𝑓𝐶𝐿𝐾 n = número de bits

𝑓𝐶𝐿𝐾 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑙𝑜𝑠

CAD de simple rampa  Lo que se ha hecho ha sido convertir VIN en una magnitud de tiempo t y ese tiempo lo evaluamos con un contador...

𝒕=

Se hace la conversión en un sólo paso. Disponemos de un integrador y la tensión VIN debe ser positiva (unipolar). Cuando SC=1, entonces: 1. Se cierra el interruptor cortocircuitando el condensador C, de manera que se descarga a través de la RON del interruptor. 2. Se resetea el contador colocándolo a cero. 3. La unidad de control permite que la señal de reloj llegue al contador. Para ello coloca a 1 la tercera entrada de la puerta AND.

𝒏𝒐.𝒅𝒆 𝒑𝒖𝒍𝒔𝒐𝒔 𝒇𝑪𝑳𝑲

= n 𝑇𝐶𝐿𝐾 (−𝑉𝑅𝐸𝐹 ) 𝑉𝑅𝐸𝐹 𝑣𝐼 = − 𝑡= 𝑡 𝑅𝐶 𝑅𝐶 𝑉𝑅𝐸𝐹 𝑉𝑅𝐸𝐹 𝑛𝑇 𝑣𝐼𝑁 = 𝑡1 = 𝑅𝐶 𝑅𝐶 𝑅𝐶 n= 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑅𝐸𝐹𝑇

Desventajas:  El principal problema que presenta este tipo de convertidores es que la salida depende de muchos factores, como: Vref, R, C y T.  Por ello Vref y T deben ser muy estables en el tiempo para que la conversión sea correcta.

CAD de doble rampa Se supone VA>0.

𝑉𝐴 𝑡 −𝑅𝐶 (−𝑉𝑅𝐸𝐹 ) 𝑉 𝑉𝐼 = − 𝑡 = 𝑅𝐸𝐹 𝑡 𝑅𝐶 𝑅𝐶 𝑉𝐴 𝑉𝑅𝐸𝐹 𝑉𝐼 = − 𝑡 − 𝑡 𝑅𝐶 𝐹 𝑅𝐶 𝑉 𝑉 𝑉 0 = − 𝐴 𝑡𝐹 − 𝑅𝐸𝐹 𝑡 → 𝐴 𝑡𝐹 = 𝑡𝑥 𝑽𝑰 =

𝑅𝐶

𝑡𝑥 = 𝑛𝑥 𝑇 y

El sistema funciona en dos partes en el tiempo proporcionando dos rampas distintas. 1. La entrada es la señal analógica VA que se desea digitalizar. Dura un tiempo fijo tF. 2. Tiene como entrada -VREF y el tiempo es variable. Se supone VA>0.

𝑅𝐶

𝑛𝑥 =

𝑉𝑅𝐸𝐹

𝑡𝐹 = 𝑛𝐹 𝑇

𝑉𝐴 𝑛 𝑉𝑅𝐸𝐹 𝐹

Ventajas: Tiene una dependencia baja de la salida con la entrada, permite conseguir alta resolución (24 bits o algo más). Este circuito es el bajo consumo por estar fabricado en tecnología CMOS. Son también bastante inmunes al ruido sobre todo al de alta frecuencia.

CAD de Tensión-Frecuencia

Se realiza una conversión de la señal analógica de entrada a frecuencia, midiéndose después el valor de la misma (antes la convertíamos en tiempo). Está formada por un integrador y un comparador. El control detecta cuando VI es igual a VREF y en ese momento cortocircuita, momentáneamente, el condensador, comenzando así otro período de integración.

La segunda parte de este convertidor será un frecuencímetro. Básicamente consiste en contar el número de pulsos que llegan a partir de un patrón de tiempo. Ventajas: • Posee una alta capacidad de aislamiento, debido a que la salida ya es digital y con un optoacoplador, se consigue un aislamiento completo y total. • Se trata de un circuito de bajo coste muy interesante para el caso de aislamiento. • Es interesante para el caso de transmisión de información a larga distancia dado que la salida ya se encuentra digitalizada

¿Qué es un CDA?  Un conversor digital analógico o DAC(digital to analogue

converter) es un dispositivo para convertir datos digitales en señales de corriente o de tensión analógica.  La mayoría de los DAC utilizan alguna de forma de red reostática. Los datos digitales se aplican a los reóstatos en grupos de bits. Las resistencias varían en proporciones definidas y el flujo de corriente de cada uno está directamente relacionado con el valor binario del bit recibido.  Se utilizan profundamente en los reproductores de discos compactos, en los reproductores de sonido y de cintas de video digitales, también en los equipos de procesamiento de señales digitales de sonido y video.

Método de conmutación de corrientes ponderadas  Consiste en utilizar una serie de

fuentes de corriente ponderadas que concurren a un nudo sumador de corrientes.  Cada corriente se conmuta en función del valor del bit correspondiente.  Esta idea se implementa con resistencias y llaves analógicas.  La corriente ik por la k-ésima rama es: 𝑉𝑟𝑒𝑓

𝑖𝑘 = 𝑑𝑘 𝑛−𝑘+1 k = 1,….,n 2 𝑅 Entonces V = - (𝑑𝑛

1 2𝑅

+ 𝑑𝑛−1

1 22 𝑅

+ … + 𝑑1

1 ) 22 𝑅

𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅

Circuito equivalente de un conversor digital-analógico de resistencias ponderadas.

Es decir 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉=− 𝑛 2

𝑛

𝑑𝑘 2𝑘−1 𝑘=1

Si 𝑑𝑘 = 1 para k = 1,…,n estamos ante el código máximo, es decir el correspondiente al fondo de escala: 1 𝑉 = − 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1 − 𝑛 ) 2 Desventaja: Requiere un rango de valores de resistencia y una precisión muy grandes, difícilmente obtenibles en la práctica.

Redes escalera

Método de la red escalera R-2R

 Conversor

Conversor digital analógico de red escalera.

 Las redes escalera permiten reducir

el rango de valores de las resistencias. En la figura se muestra un ejemplo, aunque no profundizaremos sobre este tipo de circuitos ya que en la actualidad están superados por las redes R-2R.

Conversor digital analógico R-2R Una red resistiva como la indicada en la figura tiene la particularidad de que cualquiera sea el número de secciones la resistencia vista (excepto al final) es R. Este circuito puede usarse para obtener un conversor digital analógico muy eficiente. Que el régimen sea igual al de la red escalera original lo garantiza el hecho de que ya sea que la llave esté en una u otra posición, el terminal de abajo de cada resistencia esta a un potencial 0 (ya sea masa real o virtual).

𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅 𝑑𝑘 𝑛−𝑘+1 = −

𝑖= 𝑉0 = −

𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅

R

𝑛 𝑘=1 2

𝑉𝑟𝑒𝑓 2𝑛

R

𝑛 𝑘=1 𝑑𝑘 2𝑘−1

CDA Por Modulación de ancho de pulso  En el mismo momento en que se

Se tiene una onda rectangular de amplitud y frecuencia fijas, pero con su duty cicle (ancho del pulso alto sobre el período de la señal completa) variable. Se la hace pasar por un filtro pasabajos para obtener en la salida su valor medio, que resulta proporcional al duty cicle. Por lo tanto el problema se resuelve generando una señal rectangular cuyo ancho de pulso sea proporcional al número N a convertir.

inyecta el número N en el comparador, se dispara el contador módulo 2n ( n = no. de bits ).  La salida del comparador será la resultante de la diferencia entre el número N y la cuenta. Cuando la cuenta alcance al número N la salida del comparador pasa al estado bajo. 𝟃=

𝑁 2𝑛

𝑁 =𝟃 2𝑥

Referencias  FLOYD, T.L. Fundamentos Digitales Ed. Pretince Hall  MUÑOZ MERINO E. Circuitos Electrónicos Digitales Ed. Publicaciones

de la E.T.S.I

 http://www.electron.frba.utn.edu.ar/materias/95-

0429/archivos/cap12_2009_apunte_conversores_ADDA.pdf  http://www2.uca.es/grupinvest/instrument_electro/ppjjgdr/Electronics_Instrum/El ectronics_Instrum_Files/temas/T11_CAD.pdf  http://electrouni.files.wordpress.com/2010/08/unidad3.pdf  http://www.forosdeelectronica.com/f26/conversionanalogica-digital-red-r2r-14602/